¿Qué significa 'interpretar' la mecánica cuántica?

El siguiente es una traducción libre del artículo "What Does It Mean to ‘Interpret’ Quantum Mechanics?" del filósofo de la ciencia Massimo Pigliucci, publicado originalmente en la sección "The Philosopher’s Corner" de la revista Skeptical Inquirer, vol. 46, no. 4. Este es mi primer intento de una traducción, por lo que es posible que pueda encontrarse algún error (espero que menor), aunque intenté ser lo más fiel al sentido del original. 

Cuando me pongo mi sombrero como filósofo de la ciencia (parcialmente distinto de mi otro sombrero como biólogo evolutivo), eventualmente me encuentro con un científico (podría dar nombres, pero no lo haré) que con aire de suficiencia me dice que la filosofía obviamente no progresa. ¿La evidencia? Los filósofos no están de acuerdo en todo tipo de cosas y no hay un consenso emergente, a diferencia de la ciencia, especialmente la física.

Dejando de lado que este tipo de razonamiento refleja en gran medida la ignorancia de cómo funciona la filosofía (¡sorpresa, es diferente de la ciencia!; ver Pigliucci 2017), resulta que hay al menos un área de la ciencia donde las cosas parecen caracterizarse por una total confusión y falta de consenso: interpretaciones de la mecánica cuántica. Y tenemos la evidencia empírica para demostrarlo.

Sujeevan Sivasundaram y Kristian Hvidtfelt Nielsen, de la Universidad de Aarhus en Dinamarca, llevaron a cabo un estudio de las actitudes de los físicos con respecto a cuestiones fundamentales de la mecánica cuántica (Sivasundaram y Nielsen 2016). Los resultados son reveladores. La encuesta se basa en 149 respuestas a un cuestionario que los autores enviaron a 1.234 físicos afiliados a ocho universidades.

Una pregunta obvia planteada por Sivasundaram y Nielsen fue si los físicos necesitan una interpretación de la mecánica cuántica en primer lugar. Después de todo, la mecánica cuántica es una teoría matemática y hace un trabajo increíblemente preciso al predecir los resultados de los experimentos. ¿Qué más se necesita? Si tu respuesta es "nada", entonces perteneces a la infame escuela de pensamiento "cállate y calcula". Está compuesto por físicos que piensan que es una pérdida de tiempo tratar de adjuntar interpretaciones físicas a las ecuaciones: las matemáticas son todo lo que hay, el resto es una pérdida de tiempo. Filosofía, si se quiere.

El hecho es que los resultados de Sivasundaram y Nielsen muestran que la escuela calla y calcula es una minoría, con solo el 23 por ciento. Por el contrario, el 65 por ciento de los físicos encuestados respondió que es importante llegar a una interpretación física porque nos ayuda a comprender cómo funciona la naturaleza. Esta diferencia de opinión refleja un contraste más fundamental entre dos actitudes acerca de la naturaleza de la ciencia misma. Por un lado, tenemos lo que los filósofos de la ciencia denominan “antirrealistas”, es decir, personas que piensan que la ciencia no se ocupa de llegar a verdades sobre el mundo, sino que solo puede producir modelos empíricamente adecuados. Las personas que se callan y calculan pertenecen a este grupo, se den cuenta o no. Los realistas, por el contrario, piensan que el objetivo de la ciencia es producir declaraciones verdaderas sobre cómo funciona realmente el mundo.

Naturalmente, Sivasundaram y Nielsen luego preguntaron a los físicos cuál es su interpretación favorita de la mecánica cuántica, considerando que hay un gran campo de opciones disponibles (Lewis 2022). Las respuestas fueron de todo tipo: el 36 por ciento respondió que no tiene una interpretación favorita; el 39 por ciento prefirió el de Copenhague; 6 por ciento los muchos mundos; otro 6 por ciento la información-teórica; el 3 por ciento optó por una interpretación estadística; 2 por ciento cada uno para De Broglie-Bohm y colapso objetivo; 1 por ciento cada uno para interpretación modal, bayesianismo cuántico e historias consistentes. El otro 7 por ciento cayó en "no estoy seguro" u "otro". No solo no hay consenso,

Sivasundaram y Nielsen también querían saber si la gente cambia de opinión sobre su interpretación favorita. Dejando de lado el 40 por ciento que afirmó no tener un favorito, el 38 por ciento respondió "nunca", el 11 por ciento "una vez" y el 12 por ciento "varias veces". La cuestión, al parecer, está lejos de estar resuelta. De hecho, uno podría preguntarse sobre qué base un físico cambiaría de opinión sobre esto o llegaría a una conclusión particular en primer lugar. Después de todo, las diversas interpretaciones son empíricamente equivalentes, lo que significa que todas hacen exactamente las mismas predicciones sobre los fenómenos observables. Deje que eso se hunda: no hay forma de diferenciar empíricamente diferentes interpretaciones de la mecánica cuántica . Uno podría incluso sospechar que esto no es realmente ciencia. Huele más a... ¡metafísica!

Pero quizás los físicos estén de acuerdo en cuestiones más específicas sobre la mecánica cuántica. Por ejemplo, a menudo escuchamos que la teoría dice que los eventos físicos son, en el nivel fundamental, aleatorios. ¿Pero lo son? Depende de a quién le preguntes. Mientras que el 67 por ciento de los encuestados estuvo de acuerdo con la afirmación de que la aleatoriedad es un concepto fundamental en la naturaleza, el 12 por ciento pensó que la aleatoriedad es solo aparente. El dieciocho por ciento dijo que la aleatoriedad no se puede eliminar de ninguna teoría física, mientras que el 4 por ciento pensó que el universo es, en el fondo, determinista, aunque todavía no hemos llegado al punto de probarlo.

Otra cosa que escuchas a menudo sobre la mecánica cuántica es que muestra que los objetos, tal como los entendemos y los percibimos, no tienen sus propiedades antes de la medición. La conceptualización más famosa de esta noción es el gato de Schrödinger, que está tanto vivo como muerto hasta que alguien abre y mira dentro de la infame caja en la que se encuentra el gato. El cuarenta y siete por ciento de los físicos encuestados estuvo de acuerdo con esta imagen, pero el 38 por ciento no lo hizo. (El otro 15 por ciento cayó en "no estoy seguro" u "otro".) Entonces, ¿cuál es? Los amantes de los gatos quieren saber.

A veces, en lugar de "medidas", los físicos hablan del "observador" que fija las propiedades de los objetos, lo que, sin darse cuenta, otorga aparente credibilidad a todo tipo de tonterías al estilo de Deepak Chopra sobre el papel de la conciencia en el cosmos. Pero resulta que la opinión profesional también está dividida aquí. El treinta y siete por ciento de los físicos que respondieron la encuesta dijeron que el observador es un sistema cuántico complejo, el 31 por ciento que juega un papel fundamental en el formalismo cuántico pero no tiene un papel físico destacado, el 22 por ciento que juega un papel físico destacado y el 10 por ciento que no juega ningún papel fundamental en absoluto.

Una de mis preguntas favoritas, porque nuevamente golpea el núcleo de lo que los físicos piensan sobre la naturaleza de la ciencia, fue "si dos teorías físicas dan las mismas predicciones, ¿qué propiedades harían que apoyaran una sobre la otra?" Un enorme 87 por ciento eligió la simplicidad, es decir, la famosa navaja de Occam. Pero la física teórica Sabine Hossenfelder ha escrito un libro completo para explicar a sus colegas que la simplicidad, la belleza y otros criterios no empíricos simplemente no son guías confiables para llegar a la verdad (Hossenfelder 2020). Muchas teorías simples y/o hermosas han sido favorecidas en el pasado y ahora se están acumulando en el basurero de la historia de la ciencia.

Y aquí hay otra idea fascinante de la encuesta realizada por Sivasundaram y Nielsen: aparentemente, un buen número de físicos no saben de qué están hablando cuando se trata de mecánica cuántica, lo que solo refuerza la famosa ocurrencia de su colega Richard Feynman de que si crees que entiendes la mecánica cuántica, probablemente no la entiendes. Cuando se les preguntó qué caracteriza a la interpretación de Copenhague, que es la más antigua y famosa de todas, las respuestas fueron de todo tipo, ¡incluso lugares que eran mutuamente excluyentes! Y, de hecho, se obtuvieron resultados similares cuando Sivasundaram y Nielsen hicieron la misma pregunta sobre la interpretación de muchos mundos.

No pretendo burlarme (demasiado) de mis colegas físicos. Pero sí quiero hacer un par de observaciones serias. En primer lugar, existe un importante desacuerdo sobre la naturaleza de la ciencia entre los científicos profesionales. En segundo lugar, los físicos están en desacuerdo entre sí sobre varias cuestiones fundamentales de su campo. Reflexionar sobre estas dos observaciones debería invitarnos a practicar un poco de humildad siempre que tengamos la tentación de hablar con confianza sobre el método científico, la naturaleza de la ciencia y la visión científica del mundo.

Como sostienen desde hace tiempo los filósofos de la ciencia, no existe un único método científico; la naturaleza de la ciencia es compleja y difícil de precisar. En consecuencia, la visión científica del mundo cambia constantemente. Sin embargo, esta complejidad e inestabilidad no son defectos, sino características. Comprender el mundo a partir de pruebas empíricas -que es lo que hace la ciencia- es una tarea ardua y llena de peligros. Podría decirse que es un milagro (en el sentido secular del término) que sepamos tanto sobre lo que ocurre en las escalas cosmológica y fundamental de la realidad, teniendo en cuenta lo lejos que están de nuestras experiencias cotidianas.

Einstein dijo que toda la ciencia no es más que un refinamiento del pensamiento cotidiano. Si eso es cierto, se trata de un gran refinamiento. La situación actual de la mecánica cuántica me parece indicar que Einstein, por una vez, no acertó.

REFERENCIAS

Hossenfelder, S. 2020. Lost in Math. New York, NY: Basic Books.

Lewis, P.J. 2022. Interpretations of quantum mechanics. Internet Encyclopedia of Philosophy. Online at https://iep.utm.edu/int-qm/.

Pigliucci, M. 2017. On progress in philosophy: Philosophy as the evocation of conceptual landscapes. In R. Blackford and D. Broderick (eds.), Philosophy’s Future: The Problem of Philosophical Progress. Hoboken, NJ: Wiley & Sons. Online at https://bit.ly/3KqoyNC.

Sivasundaram, S., and K.H. Nielsen. 2016. Surveying the attitudes of physicists concerning foundational issues of quantum mechanics. arXiv 1612.00676. Online at https://arxiv.org/abs/1612.00676.

Hipótesis filosóficas en la ciencia III: Leyes, no magia

Continuando con la explicación que Mario Bunge ofrece sobre los supuestos filosóficos contenidos en la ciencia, según los muestra en su obra La Investigación Científica, ahora, nos metemos con el segundo principio ontológico de la ciencia: el determinismo ontológico, o la idea de que nada ocurre "porque sí" en la naturaleza, sino que todo fenómeno tiene una causa y la cual se encuentra determinada por patrones o leyes naturales.

En este punto, Bunge nos dice que el determinismo ontológico de la ciencia nos impide pensar en fenómenos que surjan de la nada, o mejor dicho, que la nada no produce nada. Bunge también hace un breve paréntesis en el tema para hacer un interesante ejercicio de reflexión sobre filosofía de la física cuántica. Ahora, pues, veamos de qué trata el determinismo ontológico:

La doctrina filosófica del determinismo tiene dos aspectos, uno ontológico y otro epistemológico, que se confunden frecuentemente. El determinismo ontológico sostiene la determinación de las cosas y de los acontecimientos; el determinismo epistemológico afirma la posibilidad de determinar conceptualmente (conocer) los hechos y sus esquemas enteramente. En sentido estrecho, el determinismo ontológico equivale al determinismo mecanicista o laplaceano, como componente de la visión newtoniana del mundo y según el cual el cosmos es un conjunto de partículas en interacción que se mueven de acuerdo con un puñado de leyes mecánicas. La versión amplia del determinismo supone sólo (i) la hipótesis de que todos los acontecimientos son según leyes (principio de legalidad) y (ii) la hipótesis de que nada nace de la nada ni se sume en ella (principio de negación de la magia). Este determinismo laxo no restringe los tipos de leyes admisibles: admite leyes estocásticas y reconoce la objetividad del azar. Lo único que niega es la existencia de acontecimientos que carezcan de ley o no sean producidos por otros acontecimientos anteriores.

Hasta la tercera década de nuestro siglo persistieron varios matices de determinismo estrecho, ninguno de los cuales reconocía la objetividad del azar. Sus sostenedores no se daban cuenta de que incluso admitiendo que cada una de las entidades de un conjunto se comporte de un modo perfectamente determinado (no casual), resultará alguna cantidad de juego o azar por la relativa independencia mutua de esas entidades (pues no existe la rigidez completa). Finalmente, el determinismo ontológico estrecho quedó derrotado por la teoría de los quanta, la cual reconoce la objetividad del azar no sólo como rasgo de sistemas complejos, sino incluso al nivel de las partículas "elementales", las cuales obedecen a leyes estocásticas. El que esa casualidad sea un conocimiento definitivo o pueda ser algún día analizada como resultado de complejos procesos internos o interacciones con campos de niveles inferiores es cosa que aún no puede decidirse. Es, además, importante darse cuenta de que tanto la teoría de los quanta como su filosofía están aún en gestación, por lo que no deben inferir de ellas consecuencias detalladas presentámdolas como si fueran conocimientos definitivos acerca del comportamiento de los microsistemas. Pero el tipo de azar y los niveles exactos en los cuales se presenta es de importancia secundaria si se compara con el reconocimiento de que el azar es un modo de devenir y precisamente un modo que obedece a leyes. También es importante para nosotros en este momento darnos cuenta de que la teoría de los quanta se acoge a los principios de legalidad y recusación de la magia: esa teoría formula leyes que recubren la mayoría de los esquemas conocidos al nivel atómico, y entre esas leyes hay algunas de conservación, esto es, que niegan la creación ex-nihilo y la aniquilación sin resto de sistemas materiales (partículas o campos), por muchas que sean las partículas que se "aniquilan" (esto es, que se transforman en fotones) y viceversa. En resolución, la teoría de los quanta respeta el determinismo general igual que cualquier otra teoría científica. ¿Y cómo podría ser de otro modo si esa teoría pretende esforzarse por alcanzar el objetivo de la ciencia, que es la reconstrucción conceptual de los esquemas (leyes) del ser y el cambio? Imaginar acontecimientos que obedecieran a leyes, pero fueran indeterminados (como, por ejemplo, la creación de átomos a partir de la nada) sería reconocer que ninguna ley es realmente necesaria, puesto que todo es posible, incluso la magia: de hecho, si un átomo puede surgir sin condición antecedente determinada, entonces ¿por qué no va a poder hacer lo mismo una molécula? Y si lo puede una molécula, ¿por qué no un cromosoma? Y si lo puede un cromosoma, ¿por qué no una célula? Y si lo puede una célula, ¿por qué no un dinosaurio? Dicho brevemente: el determinismo general está implantado en la ciencia qua ciencia, en la medida en que la investigación científica es la búsqueda y la aplicación de leyes, las cuales, a su vez, ponen límites a las posibilidades lógicas, como puede ser el nacimiento de algo a partir de nada o la desaparición de algo en nada.